铁工程化钯金属烯用于提升锌-甲醇-空气混合能源系统的双功能电催化性能

　　针对锌-甲醇-空气电池（ZMABs）中阳极甲醇氧化反应（MOR）的CO毒化和阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢的问题，研究人员开发了超薄PdFe金属烯双功能电催化剂。该催化剂在MOR中质量活性比商用Pd/C高9倍，ORR中质量活性达1.61 A mg?1 （0.9 V vs. RHE），且循环稳定性优异。集成后ZMABs峰值功率密度达216 mW cm?2 ，容量796 mAh g?1 ，为高效混合能源系统提供了新策略。

　　

在能源转型的浪潮中，锌-空气电池（ZABs）因其理论能量密度高达1086 Wh kg^?1
而备受瞩目，但实际应用中却因空气电极上氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的缓慢动力学而举步维艰。更棘手的是，OER过程伴随的高能耗和腐蚀性中间体会加速材料降解。为了突破这一瓶颈，科学家们将目光投向了混合能源系统——用热力学更有利的甲醇氧化反应（MOR）替代OER，由此诞生的锌-甲醇-空气电池（ZMABs）展现出更低的充电电压和更长的寿命。然而，阳极MOR过程中的CO毒化和阴极ORR的多步中间体吸附难题，如同两座大山横亘在ZMABs商业化道路上。

吉林大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究中，提出了一种原子级铁掺杂的钯金属烯（PdFe metallenes）双功能催化剂。这种厚度仅1.60±0.07 nm的超薄二维材料，通过调控d带中心优化了中间体吸附能垒，在MOR中质量活性达到商用Pd/C的9倍，CO电氧化电位降低29 mV；ORR质量活性高达1.61 A mg^?1
（0.9 V vs. RHE），且万次循环后半波电位仅衰减9 mV。当应用于ZMABs时，实现了216 mW cm^?2
的峰值功率密度和796 mAh g^?1
的超高容量，连续运行134小时仍保持稳定。

关键技术包括：1）CO气体辅助的溶剂热法合成超薄PdFe金属烯；2）高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）表征二维形貌；3）电化学测试评估MOR/ORR质量活性和CO耐受性；4）密度泛函理论（DFT）计算d带中心偏移量。

合成与结构表征
HAADF-STEM显示PdFe金属烯呈现褶皱纳米片结构（图1a-b），原子力显微镜测得厚度1.60±0.07 nm（图1c）。高分辨透射电镜（HRTEM）证实了晶面间距和单晶特性（图1d），X射线衍射（XRD）表明铁掺杂引起晶格收缩。

电催化性能
在0.5 M KOH/1 M CH₃
OH体系中，PdFe金属烯的MOR质量活性达4.21 A mg_Pd
^?1
，CO氧化峰电位较Pd/C负移29 mV。ORR测试在O₂
-饱和0.1 M HClO₄
中进行，半波电位（E_1/2
）为0.91 V，质量活性1.61 A mg^?1
（0.9 V vs. RHE）。

机理研究
X射线光电子能谱（XPS）显示铁掺杂使Pd 3d轨道结合能正移0.38 eV。DFT计算表明Fe引入使d带中心下移0.22 eV，弱化*OOH/O吸附，加速ORR动力学；同时降低CO吸附能至?1.58 eV，促进毒化位点再生。

ZMABs应用
组装的ZMABs在10 mA cm^?2
下放电电压达1.25 V，功率密度216 mW cm^?2
，优于Pd/C基准组（168 mW cm^?2
）。恒流循环测试中，PdFe金属烯组容量保持率比Pd/C高41.3%。

这项研究通过原子级电子结构调控，首次实现了单一催化剂对ZMABs阴阳极反应的协同优化。其意义不仅在于创纪录的电池性能，更开辟了通过“双功能催化剂一体化设计”解决混合能源系统瓶颈的新范式。作者Jiaqi Wang和Yu Qiu在CRediT贡献声明中强调，该工作为后续非贵金属掺杂二维催化材料研究提供了普适性策略。